橋梁檢測與監測技術智慧化發展動態研究

楊 揚 徐一超 張宇峰

(1.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室 南京 211112； 2.蘇交科集團股份有限公司 南京 211112)

當前，我國橋梁總數已超過百萬座，其中，公路橋梁總數已達87.83萬座，其中特大橋5 716座、大橋108 344座。隨著我國橋梁數量的逐漸增多和橋齡的逐漸增加，橋梁的健康與安全問題也日益引起關注[1-2]。

檢監測技術是保障橋梁安全運營的關鍵，依靠現場檢測與實時監測獲取橋梁結構的損傷狀況與動力特征，從而分析橋梁的實際承載狀況[3-4]。橋梁檢測采取科學的方法和技術對橋梁運營狀態進行局部測試及整體評估，監測通過對橋梁結構狀況的監控與評估為橋梁的維護維修和管理決策提供依據與指導[5]。隨著工程應用的不斷增多，現階段橋梁檢監測技術的問題也日益突出，可概括為以下4個方面。

1) 理念問題。設計階段缺乏對橋梁管養中檢測與監測需求的考慮。

2) 標準體系問題。標準的建立未能與工程發展的實際需求同步。

3) 方法、工具與裝備問題。現有技術與設備未能適應復雜多變的檢(監)測環境。

4) 數據分析問題。海量多源的數據堆積，未能得到充分有效利用。

本文擬通過歸納總結現階段橋梁檢監測技術發展現狀，針對目前研究存在的不足，指出橋梁健康檢測與監測技術的發展趨勢和研究方向，以推動橋梁檢監測技術向“低成本、高精度、短時延”發展。

1 橋梁檢測與監測技術的存在問題

1.1 理念、觀念問題

精細化、全壽命的設計理念是歐美、日本等發達國家在橋梁設計中的主導思想，其強調在結構設計階段便應充分考慮橋梁養護、檢修等情況，為相關工作預留空間或設置構造措施。而目前國內的橋梁設計中總體仍缺乏對橋梁養護階段的考慮，導致在橋梁檢測與養護難以做到“可達、可檢、可修”，更勿論“易達、易檢、易修”，這反映了當前橋梁設計中全局性理念的缺失。例如，在國內，除了跨江、跨海的大型、特大型橋梁設計有專門的檢修通道外，其他類型橋梁一般沒有相應的設施，缺乏對橋梁易檢測性的考慮[6]。檢修通道的缺乏，給橋梁的有效檢測帶來了一定的難度。而若采用橋梁檢測車進行檢查，一方面占用車道，影響交通；另一方面也增加了檢測工作的經濟投入，與橋梁檢測“低成本”的發展目標相矛盾。

1.2 標準體系問題

中國的高速發展為工程建設帶來了全新的發展機遇，但與此同時，快速的發展也使工程實踐遠超前于現有的技術標準。目前，工程領域的很多標準難以與工程實踐的快速發展同步。現有標準總體上體系完整性不夠、描述清晰度不足、可操作性不強。在橋梁檢測與監測方面，標準體系的不完善主要表現在以下7個方面：①缺少針對鋼-混組合結構等新型結構的檢測標準；②缺少災后快速檢測與評估的標準；③缺少有效預應力等傳統難檢項目的檢測標準；④缺少無人機等新型檢測技術的標準；⑤缺少健康監測系統施工、質量評定、維護技術標準；⑥缺少監測系統數據庫、數據交換與數據處理標準；⑦缺少監測系統報警閾值設定及狀態評估標準。

1.3 方法、工具、裝備問題

檢測與監測中所采用方法、設備的合理性和有效性是確保橋梁健康評估結果準確性的關鍵保障。目前，橋檢車與無人機是抵近觀察檢測中常用的方法。但橋檢車工作時不僅影響道路交通，而且存在較高的安全隱患。而無人機在操控的便利性、續航能力、測試噪聲等方面也存在較大的問題，始終未能得到完善的解決[7]。另外，橋墩、基礎等構件常常需要進行水下檢測。而目前水下檢測主要依靠潛水員水下摸排及觀察。一方面，潛水員檢測效果受光照、水質等因素影響較大；另一方面，潛水員往往不是橋梁工程師，難以對水下觀測結果做出直接判斷，需要再次進行行業術語轉換，然后判斷結構的損傷程度。二次轉換過程必然會導致部分信息丟失，不夠準確，從而降低了檢測的效率。

在無損檢測方面，目前所能采用的手段亦尚不完善，存在大量難檢項目。例如對橋梁纜索的腐蝕斷絲檢測，目前仍大量采用開窗法進行，否則無法觀察到纜索內部的情況，而這又對纜索護套造成了損傷。同時，混凝土中的實際預應力檢測、孔道壓漿密實度檢測等也一直很難取得突破性進展。

現場試驗是用來評價橋梁承載力的重要手段，但傳統荷載試驗方法費時費力，對交通影響大，成本代價高。試驗檢測過程數據錄入，雖然實現了信息化，但操作不便、實際效率很低。另外，現行健康監測系統雖在通信和數據存儲層面的發展已能滿足需求，未來5G的應用也會加速提升性能，但在數據采集與獲取方面，存在著傳感器使用壽命遠小于橋梁設計使用年限，點式傳感器的信號與結構損傷之間的邏輯性和聯系性較弱，監測系統的實施安裝缺少行業標準等系列問題。

1.4 數據分析問題

健康監測系統通過捕捉諸如應變、變形等海量信息數據，從數據獲取到數據處理，再到分析評估，通過一整套分析過程，將信號提取為信息，最后轉化為知識，從而表征橋梁服役的性能狀況。

近年來，隨著傳感、通信與存儲技術的飛速發展，橋梁檢測與監測中數據獲取能力得到了極大提升，但這又造成了數據分析方面的能力已遠遠落后于數據監測獲取能力。在數據處理方面，耦合數據分離困難等技術問題一直未得到很好解決，自動化處理程度有待進一步提高；在分析評估方面，通過構件級的直接或間接評估到全橋評估發展緩慢，評估指標體系與預警有待進一步優化，評估報告對業主養護管理的建設性意見支持不夠。在很長一段時間內，對于包括來源于設計、施工、檢測、監測等多源數據的綜合分析問題能力提升將是一個需要重點突破的環節。

2 在智慧化、數字化方向發展突破的建議

2.1 技術趨勢準確把握

如何保障橋梁的安全性、耐久性和使用功能已成為目前橋梁工程界的巨大挑戰。橋梁工程技術發展也面臨以建設為主向建養并重轉型，隨著對橋梁的結構要求、服役要求、以及長期性能要求的提高，橋梁檢測與監測及其相關的病害診斷與分析技術的研究將呈現出新的趨勢，主要表現為“深入化”“集成化”“標準化”與“智能化”四大特征。

1) 深入化。結構損傷機理研究將逐步從微觀向宏觀、從短期向長期、從單因素向多因素耦合拓展。

2) 集成化。無損檢測裝備與養護維修裝備的小型化、專業化、集成化程度將日益提高；健康監測系統中傳感、采集與傳輸設備的高度集成將是大勢所趨；依托BIM平臺，設計、施工、檢測、監測、養護、維修的信息將高度集成融合。

3) 標準化。不僅是傳統意義上的檢測、監測、養護管養動作和質量評定方法的標準化，也包括為實現數據互聯互通的信息標準化工作的快速推進。

4) 智能化。隨著機理研究日益深入、數據積累日益增多，信息融合日益加強，大數據分析、云計算、機器學習等技術的進步，橋梁管養智能化研究將日益受到關注，結構病害的早期識別、趨勢推演、檢測評分自動進行、安全風險自動排序、養護資金智能優化配置、橋梁壽命預測將成為可能。

2.2 理念與觀念創新突破

結合城市發展與新型橋梁建設需求構建城市橋梁資產管理系統，積極推進面向管養的精細化設計、資產管理與分類分級。建立橋梁資產管理系統見圖1，該系統可為管理部門提供橋梁設計、施工、管理全過程信息，實現橋梁全生命周期健康狀態演化分析[8]。

圖1 橋梁資產管理系統

2.3 標準體系的完善

為加強橋梁結構檢測和監測領域的建設和管理，使安全檢測和監測系統的實施和驗收工作制度化、規范化，越來越多的行業標準被制定和執行[9]。由于橋梁檢測和監測工作的涉及面廣、專業技術要求高，因此高水平的行業標準正在追趕工程實踐的發展腳步[10]。

為此，在橋梁檢測方面，行業內部存在一些計劃修訂的標準，并且會對行業規范發展產生極大的推動作用，包括《公路橋梁預制節段拼裝混凝土橋墩技術規程》《鋼混組合結構梁橋養護技術規程》《鋼結構橋梁質量檢驗評定規程》《橋梁快速荷載試驗與評估技術規程》《橋梁振動測試與性能評估技術規程》《公路工程預應力施工質量與驗收規程》等。在橋梁監測方面，包括《橋梁健康監測報警閾值設定規程》《橋梁健康監測系統數據庫架構設計規范》《橋梁健康監測系統數據處理指南》《橋梁健康監測系統施工質量評定指南》《橋梁健康監測系統運營維護技術指南》等。

2.4 實現重點技術突破

在橋梁檢測中，目前大量采用近距離人工觀測或接觸式儀器檢測，風險高且需投入大量的人員與資金。另一方面，對于部分關鍵部位由于位置隱蔽往往難以得到有效地檢查，從而導致橋梁檢測合格但實際承載能力嚴重受損的情況出現。因此，應大力發展非接觸性的表觀病害檢測，提升隱蔽部位、難檢部位的檢測能力和檢測效率，提升現場記錄的自動化和信息化的水平。例如研發基于深度學習的病害識別技術，通過計算機視覺自動提取病害的特征，實現病害高精度識別[11-12]；研發基于磁致伸縮導波的無損性拉吊索斷絲檢測技術，對于斷絲截面損失情況進行精準化評估[13]；研發準靜態快速荷載試驗技術，縮短荷載試驗時間并降低試驗成本，同時精準評價橋梁的承載力狀況[14]；研發同步壓縮變換瞬時頻率算法，有效提取重車通過時索承橋的索力極值，為超載報警和突發事件的安全評估做出及時預判；研發更高精度、高頻率的位移測量技術，如長標距的光纖傳感、微波干涉雷達等技術[15-16]，見圖2。只有不斷突破技術瓶頸，才能不斷提高橋梁檢測的效率，準確地評估橋梁狀態。

圖2 橋梁檢測與監測技術突破

在橋梁狀態實時監測方面，目前普遍存在傳感器壽命低、點式布置傳感器難以反映全橋的損傷狀況，以及缺乏現場實施、評定與維護標準等問題。同時，對于海量的監測數據，自動化處理程度仍有待提高，且耦合數據分離始終存在困難。另一方面，在分析評估中，目前總體停滯于構件級評估，而全橋評估發展緩慢，對于結構健康狀態的預警與評估指標也有待進一步優化。基于上述因素，應進一步加強耐久性高、生產成本低且易更換的傳感器的研發與應用。同時，推廣分布式傳感器的應用，加強傳感器對結構全局狀態的捕捉，并建立健全傳感器采集標準，推進傳感設備布設與運營維護的規范化。此外，在數據處理與狀態評估方面，充分利用云計算、人工智能技術推進數據處理自動化與智能化；并研發時空數據融合計算，推進檢測監測一體化大數據分析，建立橋梁健康狀態時空演化模型[17]。新型數字溫度傳感器測溫系統，運用無源擺幅速率控制和瞬時強上拉技術，提升監測效率的同時成本較低，具有作為長期監測手段的可能[18]。基于長標距光纖光柵技術，通過推算結構撓度轉角、動力特征、交通荷載等關鍵數據，實現應變處理、變形解析、模態解析、全橋荷載識別、損傷識別及異常分析[19]。基于分布式傳感導電涂料對裂縫具有電阻強敏感性，對橋梁混凝土裂縫的寬度計算、發展閾值報警，實現了實時監測裂縫進展的方法[20]。對于監測過程中采集的海量數據，采用深度神經網絡的異常數據自動探測，在數據缺失時補充數據，利用實測和預測的差異進行探測異常[21]。綜合發展傳感設備與監測系統管理制度，并面向自動化、智能化發展橋梁數據分析技術，從而實現現有橋梁健康監測技術發展問題的突破。

3 結語

隨著中國橋梁建設的不斷發展，巨大的存量和增量不僅為橋梁健康和安全帶來了巨大挑戰，也為橋梁檢監測技術實踐和創新的帶來了巨大機遇。文中闡述了現階段橋梁檢測與監測技術的存在問題，同時指出了可能的突破方法和手段。

隨著人工智能、5G通信、大數據及云計算的進步和普及，未來橋梁的檢測和監測發展趨勢，可以歸納為以下方面：①從破壞性檢測向無損檢測轉變；②從人工檢測向機械智能化檢測轉變；③數據采集方式從人工記錄向系統自動采集轉變；④從周期性檢測、檢查向實時數據監測轉變；⑤檢測手段從現場實操向智能感知轉變；⑥檢測裝置從臨時性設備向長期性預埋傳感器轉變；⑦檢測評估從少量抽樣數據研判向大數據分析轉變。